광시야각 역파장분산 보상필름 = Negative dispersion retarder with wide field-of-view

국문 초록 (Abstract)

매질의 방향에 따라 서로 다른 굴절률을 갖는 광학이방성 (optical anisotropy)를 가진 매질에 빛이 입사하게 되면 빛은 서로 다른 편광 (polarization)과 위상 (phase)를 갖는 두 개의 빛으로 나누어져 진행하는데, 이를 복굴절 (birefringence)이라 한다. 두 개의 빛 가운데 하나는 매질의 이상굴절률 (extraordinary refractive index, ne)를 느끼면서 진행하며, 이를 이상파 (extraordinary wave, e-wave)라고 부른다. 나머지 하나의 빛은 매질의 정상굴절률 (ordinary refractive index, no)를 느끼면서 진행하며 이를 정상파 (ordinary wave, o-wave)라고 한다. E-wave와 o-wave는 서로 수직한 편광을 가지면서 다른 phase를 갖고 매질 내를 진행한다.
광학이방성을 갖는 매질의 두께를 d, 입사하는 빛의 파장을 λ 라고 했을 때, 매질 통과 후 e-wave와 o-wave는 Γ=2π(ne-no)d/λ의 위상차 (phase retardation)을 갖게 된다. 매질의 birefringence Δn=ne-no와 d를 조절하면 입사 빛의 편광을 변화시킬 수 있으며, 이러한 소자를 retarder라고 부른다. 선편광된 (linearly polarized) 빛이 입사하는 경우, retarder의 Γ=π이면 투과 빛의 편광은 입사 빛에 수직한 선편광이 되며 이러한 retarder를 half-wave retarder (HWP)라고 한다. 또한 Γ=π/2 이면 투과한 빛은 원편광이 되며, 이러한 retarder를 quarter-wave retarder(QWP)라고 한다. Retarder의 종류에는 Soleil-Babinet compensator, Pockel cell과 같이 Γ를 가변적으로 제어할 수 있는 active retarder와 고정된 Γ을 갖는 passive retarder가 있다. 액정표시장치 (liquid crystal display, LCD) 보상필름 (compensation 필름) 또는 유기발광다이오드 (organic light emitting diode, OLED) 디스플레이 반사방지필름에 사용되는 QWP등은 passive retarder로서 acrylate, cycloolefin 등의 고분자 재료를 연신하거나 중합형 액정 (reactive mesogen) 재료를 코팅하는 방법으로 제작된다.
디스플레이용 보상필름의 성능이 극대화되기 위해서는 retarder가 모든 가시광선 영역 대에서 동일한 Γ 값을 가져야한다. 그런데 자연 상태로 존재하는 광학이방성을 갖는 매질은 대부분 파장이 길어질수록 Δn이 감소하는 정파장분산 (positive dispersion) 특성을 갖는다. 그 결과 Γ 값이 파장이 길어질수록 감소하게 되어 retarder의 대역폭은 좁아지고, 특정 파장에 맞춰 설계된 보상필름의 경우 다른 파장 영역에서는 Γ 값이 상이하게 되어 보상효과가 저하된다. 따라서 보상필름의 성능을 극대화하기 위해서는 파장이 길어질수록 Δn이 증가하는 역파장분산 (negative dispersion) 특성을 갖는 retarder가 필요하다. 본 논문에서는 스멕틱 액정과 monomer의 자기조립 성질을 이용하여 기존의 제작공정보다 쉽게 구현된 일층형 역파장분산 위상차 필름을 제작하고 파장분산성의 온도와 monomer의 혼합비율 의존성에 대하여 분석하였다. 또한 Δn이 음의 값을 갖는 일축 연신필름과 Δn이 양의 값을 값는 중합성 액정 (RM)을 적층시켜 적층 구조의 역파장분산 보상필름을 제작했다. 제작된 이층형 역파장분산 보상필름은 기존의 이층형 보상필름을 보다 얇은 구조를 갖기 때문에 미래의 Flexible 디스플레이 제작에 보다 용이하게 사용 될 것으로 생각한다.
최근 소량의 나노사이즈의 파티클을 액정이나 액정 배향막에 혼합하여 전기-광학특성을 향상시키는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 예를 들면 polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS)와 같은 물질은 액정에 혼합되어 액정의 수직배향을 유도한다고 연구결과를 통하여 보고되었다. 또한 POSS는 액정의 선경사각을 조절할 수 있다고 보고되었다. 0.05 wt%의 hexadecyl trimethyl ammonium bromide (HTAB)가 액정에 혼합되어 액정을 수직배향 시키는 것 또한 보고된바있다. 액정 배향막과 광개시제 혼합물은 기판 표면에서 많은 양의 중합성 monomer의 광중합을 유도하며 이것은 표면 앵커링 에너지의 공간적인 변화를 유도할 수 있다. 그러므로 소량의 나노파티클을 상용화된 재료에 혼합하여 LCD의 전기광학적인 성질들을 개선시키는 연구는 새로운 물리화학적 이슈를 만들어 낼 수 있다. 본 논문에서는 소량의 나노파티클을 액정 배향막에 혼합하여 기판에 코팅한 후 네마틱 액정의 전기광학 성질의 변화를 관찰하였다. 또한 액정의 응답속도를 향상시키는 연구를 진행하였다. 응답속도 향상은 탄성상수와 분자정렬도가 증가했기 때문인 것으로 확인 했고, 탄성상수와 분자정렬도가 증가하는 물리적인 이유는 나노파티클이 혼합된 배향막의 균일한 표면생성으로 설명할 수 있다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• Ⅱ. 광시야각 역파장분산 보상필름 4
• Ⅱ.1. 배경 이론 4
• Ⅱ.1.1. 디스플레이용 광시야각 보상필름 4
• Ⅱ.1.1.1. IPS-LCD 보상필름 7
• Ⅱ.1.1.2. VA-LCD 보상필름 7
• Ⅱ.1.1.3. OLED 반사방지 필름 8
• Ⅱ.1.2. 정파장분산과 역파장분산 8
• Ⅱ.1.3. 역파장분산 보상필름 개발현황 9
• Ⅱ.1.3.1. 중합성 액정을 이용한 일층형 구조 9
• Ⅱ.1.3.2. 연신필름을 이용한 일층형 구조 11
• Ⅱ.1.3.3. 중합성 액정을 이용한 적층형 구조 13
• Ⅱ.1.3.4. 연신필름을 이용한 적층형 구조 15
• Ⅱ.2. 일층형 역파장분산 보상필름 17
• Ⅱ.2.1. 역파장분산 특성 구현을 위한 모델링 17
• Ⅱ.2.2. 액정 혼합물의 성분비에 따른 파장분산성 24
• Ⅱ.2.3. 액정 혼합물의 온도에 따른 파장분산성 26
• Ⅱ.2.4. 분자 배열의 실험적 증명 28
• Ⅱ.2.4.1. SAXS 분석 28
• Ⅱ.2.4.2. FT-IR 분석 30
• Ⅱ.3. 적층형 역파장분산 보상필름 31
• Ⅱ.3.1. 연신필름을 이용한 적층구조 보상필름 31
• Ⅱ.3.1.1. 적층각도에 따른 파장분산성 31
• Ⅱ.3.1.2. IPS-LCD 보상필름 광학 Simulation 33
• Ⅱ.3.1.3. 반사방지 필름 반사율 비교 35
• Ⅱ.3.2. 중합성 액정을 이용한 적층구조 보상필름 36
• Ⅱ.3.2.1. Ideal retarder를 위한 적층각도 계산 36
• Ⅱ.3.2.2. 적층구조의 파장분산성 38
• Ⅱ.3.2.3. OLED 반사방지 필름 구조의 반사율 비교 42
• Ⅱ.3.2.4. 물질의 파장분산성 계산 45
• Ⅱ.3.2.5. 적층구조 광축의 파장의존성 이슈 46
• Ⅲ. 나노재료 혼합 표면에 디스플레이 전기광학특성 변화 연구 48
• Ⅲ.1. 나노파티클 혼합 배향막 48
• Ⅲ.1.1. 편광현미경 이미지 분석 49
• Ⅲ.1.2. 전기광학특성 측정 50
• Ⅲ.1.2.1. 전압에 따른 투과율 측정 50
• Ⅲ.1.2.2. 응답속도 측정 51
• Ⅲ.1.2.3. 탄성상수 K11 측정 52
• Ⅲ.1.2.4. 액정의 Order parameter 측정 54
• Ⅲ.1.3. 원자힘 현미경(AFM) 이용 표면 분석 56
• Ⅲ.2. Carbon Nanotube 혼합 배향막 57
• Ⅲ.2.1. 편광현미경 이미지 분석 57
• Ⅲ.2.2. 전기광학특성 측정 59
• Ⅲ.2.2.1. 응답속도 측정 59
• Ⅲ.2.2.2. 탄성상수 K11 측정 60
• Ⅲ.2.2.3. 액정의 Order parameter 측정 61
• Ⅲ.2.3. 원자힘 현미경(AFM) 이용 표면 분석 63
• Ⅳ. 결론 64
• Ⅴ. 참고문헌 66